Energia cinetica e movimento

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Secondo la meccanica classica, con il concetto di energia si intende, in sintesi, la capacità di sviluppare forza e compiere un determinato lavoro da parte di un corpo o di un sistema: alla misura dell’energia si correlano la forza stessa e il risultato di questo lavoro. L’energia cinetica (K) è quell’energia generata da un corpo mentre si muove: equivale quindi al lavoro necessario perché esso possa raggiungere una certa velocità partendo da zero. Un esempio di energia cinetica può essere, per semplificare al massimo il concetto, il vento o l’acqua che sospingono le pale di un mulino.

Nel momento in cui un corpo varia la sua velocità, anche la sua energia cinetica si modifica: il lavoro equivale proprio a questa variazione di energia. Questo significa che l’energia cinetica è legata alla massa e alla velocità di un oggetto in movimento, mentre durante la caduta equivale al lavoro compiuto dal corpo per fermarsi.

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La formula dell’energia cinetica in sintesi

Una proprietà dell’energia cinetica è quella di essere direttamente proporzionale alla massa del corpo e al quadrato del modulo della sua velocità: un corpo di massa doppia di un altro svilupperà quindi un’energia cinetica doppia mantenendo la stessa velocità, mentre tra due corpi di massa uguale, quello con velocità doppia svilupperà un’energia cinetica elevata al quadrato. Poiché si tratta di un’energia strettamente connessa alla velocità, qualsiasi corpo che abbia una velocità, sia pure minima, possiede una propria energia cinetica determinabile attraverso queste proporzioni.

La formula dell’energia cinetica è la seguente:

K=1/2 * m * v2

dove m è la massa del corpo (ad esempio: il peso) e v il modulo della velocità (ad esempio: la velocità al secondo). L’unità di misura dell’energia cinetica è il joule (J)

L’energia cinetica non ha mai valore negativo e, trattandosi di una grandezza relativa, varia in dipendenza del sistema di riferimento: se un oggetto in movimento possiede un’energia pari ad un certo valore secondo il punto di vista di un osservatore fermo, lo stesso valore sarebbe pari a zero se l’osservatore si trovasse all’interno dell’oggetto stesso. Se il corpo varia la velocità sotto l’azione di una forza, anche l’energia cinetica cambierà di conseguenza: la variazione dell’energia è pari alla differenza tra il valore originale e quello finale. Ovviamente, possono verificarsi situazioni nelle quali a variare non sarà solo la velocità ma anche la massa.

Il teorema dell’energia cinetica

Secondo il teorema dell’energia cinetica (detto anche teorema delle forze vive), il lavoro compiuto da una forza applicata ad un corpo è uguale alla variazione dell’energia cinetica. Il teorema dell’energia cinetica deriva dal secondo principio della dinamica, in cui si afferma che un corpo sottoposto ad una forza subisce un’accelerazione e quindi una variazione di velocità.

In pratica, immaginando di applicare una forza ad un oggetto fermo per spostarlo, il risultato del lavoro compiuto sarà l’aumento di velocità dovuto allo spostamento, e il relativo aumento di energia cinetica: considerando che, in questo caso, la velocità iniziale è pari a zero, il lavoro sarà pari all’energia cinetica finale.

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Energia cinetica ed energia potenziale

L’energia meccanica di un corpo è costituita dalla somma tra energia cinetica e potenziale. L’energia cinetica è legata al movimento, quindi al lavoro necessario perché un corpo arrivi ad una certa velocità partendo da zero, mentre l’energia potenziale è quell’energia posseduta dal corpo in dipendenza della sua posizione in un campo di forze: è la situazione della forza di gravità terrestre. In questo caso l’energia dipende proporzionalmente dalla massa del corpo, dall’accelerazione dovuta alla gravità e dallo spazio percorso in caduta.

Quando un oggetto cade, inizialmente l’energia potenziale è al massimo, e l’energia cinetica è pari a zero: nel corso della caduta, la situazione si inverte, e l’energia cinetica sostituisce l’energia potenziale, che al termine della caduta sarà a sua volta pari a zero. Nel caso di una caduta nel vuoto (in assenza di aria e quindi di attrito), la somma tra le due energie, quindi, non si modifica mai.

L’energia cinetica applicata all’ambiente

I meccanismi dell’energia cinetica offrono diverse possibilità di applicazione all’ambiente. Mulini ad acqua e dighe permettono di produrre energia elettrica, e nelle zone dove il vento è sempre intenso, le pale eoliche costituiscono un’enorme potenzialità.

Anche il sistema di funzionamento delle auto ibride sfrutta l’energia cinetica, utilizzando l’energia della frenata per far riprendere velocità al mezzo, e recentemente è stata sviluppata una tecnologia che consente di recuperare e riutilizzare l’energia cinetica prodotta dai convogli ferroviari.

Come funzionano le auto ibride

Le auto ibride non sono che vetture nelle quali il motore termico, lavora anche con un propulsore elettrico che fa da supporto soprattutto nelle partenze da fermo e nelle fasi di sforzo. Queste automobili sono dotate di due motori, uno tradizionale con combustione interna, e uno alimentato da una batteria.

Il motore a combustione interna tramuta l’energia chimica del carburante, mentre il motore elettrico trasforma l’energia disponibile a bordo in diversi modi. L’energia elettrica si può immagazzinare utilizzando diversi dispositivi, anche contemporaneamente. Nello specifico si possono utilizzare: le batterie, utili anche per l’accumulo dell’energia e per scambiare la potenza; i supercondensatori, con minore densità energetica ma che possono scambiare una potenza maggiore; i volani ad azionamento elettrico, l’energia immagazzinata come energia cinetica data dalla rotazione, è un processo meccanico. Il motore ibrido ha numerosi vantaggi, riduce i consumi e le emissioni inquinanti, è silenzioso, affidabile.

Sistema in serie e sistema in parallelo

Il sistema che si genera, che permette di integrare motore termico e motore elettrico, si definisce powertrain. Questo sistema può essere in parallelo o in serie.

Nel sistema in parallelo, si parla di bimodale, il motore a combustione ricarica le batterie e muove il veicolo alternativamente o insieme al propulsore elettrico. Lo scopo è di aumentare l’efficienza complessiva dell’automobile. È questo il sistema utilizzato per alcune fra le più recenti auto. Il motore a combustione lavora quindi in modo sempre costante, in un regime ottimale riducendo emissioni e consumi. Il motore elettrico dal canto suo permette di dare l’energia in più necessaria per cambi di pendenza e accelerazioni. In caso vi sia un “avanzo” di energia nel motore termico, essa viene impiegata per ricaricare le batterie dell’auto. La ricarica invece del motore elettrico è data dall’energia cinetica che si recupera durante la frenata, che si genera quando si preme il freno e quando si toglie il piede dall’acceleratore.

Nel caso del powertrain in serie, si parla di autonomia estesa. Il propulsore endotermico fa da generatore che ricarica le celle che alimentano l’unità a emissioni zero, quindi fornisce energia ausiliaria al motore elettrico. Questo non è però connesso alle ruote motrici. La trazione è di tipo elettrico e solo in questo tipo di sistema è collegata invece alle ruote. Il concetto della tecnologia seriale, è per avere auto elettriche. In tal modo l’automobile può funzionare in modo completamente elettrico, su brevi distanze. Si può ricorrere al motore a benzina per permettere tragitti più lunghi.